Was ist 3D-Druck? Prozesse, Typen und Anwendungen

„Die dreidimensionale Bearbeitung trägt dazu bei, die Verarbeitung maschinentechnisch hergestellter Polymere zu erleichtern. Darüber hinaus können damit im Gegensatz zu herkömmlichen Rapid-Manufacturing-Techniken schnell Prototypen und leichte geometrische Teile hergestellt werden.“

In der Kunststoffverarbeitungsindustrie ist der 3D-Druck eine additive Fertigungstechnik zur Erstellung von 3D-Designs aus digitalen 3D-Bauplänen. Es kommt Designprofis bei der Erstellung ästhetischer bis funktionaler Prototypen zum Testen der Passformen zugute, bevor sie mit der Serienproduktion beginnen.

Dabei wird Material Schicht für Schicht, gesteuert von einem CNC-System, aufgetragen, um in kürzester Zeit ein dreidimensionales Bauteil zu erzeugen. Typischerweise ist der 3D-Druck schnell und effizient für die Herstellung komplexer Designs. Kosten für den 3D-Metalldruck Die Kosten sind im Allgemeinen höher als beim Kunststoffdruck, da Materialkosten, Spezialausrüstung und Nachbearbeitungsaufwand anfallen. Dennoch bleibt es eine praktikable Option für komplexe, kleinteilige und leistungsstarke Bauteile.

Darüber hinaus sind die Einrichtungskosten relativ niedriger als bei herkömmlichen Techniken. Aufgrund seiner Präzision und Maßgenauigkeit in der Fertigungsindustrie erlangte es große Aufmerksamkeit in allen Bereichen, von Architekturentwürfen bis hin zu Prototypen für Luft- und Raumfahrtkomponenten. 

In diesem Artikel werden 3D-Druckverfahren, -typen und industrielle Anwendungen erläutert. Es enthält auch die notwendigen Tipps für ein erfolgreiches 3D-Druckprojekt. 

Was ist 3D-Druck? Wie funktioniert es?

3D Druck

3D-Druck ist eine additive Fertigungstechnik zur Herstellung von Teilen oder Produkten. Die vorgegebenen virtuellen Illustrationen oder mathematischen Darstellungen der 3D-Oberflächen werden in Software wie MatterControl 2.0, Tinkercad, Blender, UVTools, WebPrinters und Ultimaker Cura kuratiert. Nach der Fertigstellung des Designs werden die Dateien für den Druck vorbereitet. Hier wird das Design zerlegt, indem es je nach Teilekonfiguration in 100 bis 1000 horizontale Schichten oder vertikale Schichten zerlegt wird. Anschließend wird das geschnittene Modell dem 3D-Drucker zugeführt. 

Beim 3D-Druckverfahren wird das Kunststoffmaterial in aufeinanderfolgenden Schichten nacheinander aufgetragen, bis ein Teil oder Produkt entsteht. Dieser Vorgang wird als Materialextrusion bezeichnet. Diese Drucker sind besonders kompakt und relativ wirtschaftlich, um Teile in kleinen Stückzahlen in großen Mengen zu produzieren. Darüber hinaus erweitern 3D-Druckmaterialien ihr Spektrum von Kunststoffen bis hin zu kostengünstigen Polymeren in technischer Qualität. Sie benötigen im Allgemeinen ein minimales Budget für ihre Infrastruktur. Einer der Hauptvorteile besteht darin, dass beim 3D-Druck im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden weniger Material zur Herstellung von Prototypen benötigt wird. Zusätzlich zu den Möglichkeiten zur Teilekonstruktion kann ein Standard-3D-Drucker fast jedes konzeptionelle Design reproduzieren, das Ihnen in den Sinn kommt. Ein standardmäßiger kleiner 3D-Drucker kostet normalerweise etwa 300 bis 400 US-Dollar.

Hauptbestandteile eines 3D-Druckers

3D-Drucker bestehen aus mehreren stationären und beweglichen Komponenten, die zusammenarbeiten, um Prototypen herzustellen. Die Maschinenstruktur variiert je nach Modell. Arten des 3D-DrucksDie meisten 3D-Drucker enthalten die fünf Hauptkomponenten, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind.

Table: Hauptbestandteile von 3D-Druckern

Arten des Kunststoff-3D-Drucks

Hier sind einige der gängigsten Arten der 3D-Drucktechnologie, darunter:

• Stereolithographie (SLA)
• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Selektives Lasersintern (SLS)
• Digitaler Lichtprozess (DLP)
• Polyjet
• Multi-Jet-Fusion

Stereolithographie (SLA)

SLA 3D-Druck

SLA wird als erste kommerzielle 3D-Drucktechnologie hervorgehoben. Dabei wird ein Bottich mit einem flüssigen Photopolymer verwendet, das zunächst erwärmt wird, um die nachfolgenden Schichten zu dem vorgesehenen Teilematerial auszuhärten. 

SLA kann schnell hochauflösende detaillierte Prototypen, komplizierte Teile und Muster für den Feinguss reproduzieren. Darüber hinaus hilft es Designern, beispielhafte detaillierte Komponenten zum Testen der Passgenauigkeit eines zusammengebauten technischen Produkts zu formen. 

Tabelle: In SLA und Anwendungen verwendete Kunststofftypen

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM 3D-Druck

Beim Fused Deposition Modeling wird Kunststofffilament geschmolzen und in aufeinanderfolgenden Schichten durch eine Heizdüse extrudiert, um einen Produktprototyp zu bilden. Die Auflösung und Maßgenauigkeit von FDM ist im Vergleich zu SLA relativ geringer. Darüber hinaus kann es bei längerer Einwirkung von ultravioletter Strahlung zu Schäden kommen. 

Wenn es um Materialkompatibilität geht, können verschiedene robuste Thermoplaste für die Herstellung von Gegenständen auf flexible Elastomere aufgebracht werden. Es findet umfangreiche Verwendung bei der Gestaltung von Proof-of-Concept-Modellen und einfacheren bis komplexen Prototypen. 

Tabelle: Kompatible Materialien und Anwendungen

Selektives Lasersintern (SLS)

SLS-Nylon-3D-Druckteile 

Wie der Name schon sagt, wird dabei ein Laser auf starkes thermoplastisches Pulver gesintert, um Prototypen für Funktionstests zu bauen. Dieser Laser schmilzt das Kunststoffmaterial und verschmilzt es durch eine Heizdüse Schicht für Schicht zu einem Produkt. Der Prozess verbraucht während des Prozesses akribisch das gesamte Material. Normalerweise sind während der Produktentwicklung keine unterstützenden Strukturen erforderlich. Darüber hinaus sind mit SLS hergestellte 3D-Teile belastbarer und äußerst formstabil als Fused Deposition- und SLA-Techniken. Darüber hinaus erreichen die Teile eine höhere Festigkeit als Spritzgussteile. 

Tabelle: Kompatible Materialien und Anwendungen

Digitaler Lichtprozess (DLP)

Digitale Lichtverarbeitung

Der DLP-Prozess ähnelt dem von SLA. Dabei kommen herkömmliche Lichtquellen anstelle von Laserlicht zum Einsatz. Im Allgemeinen ist DLP relativ günstiger und produziert qualitativ hochwertigere Teile als SLA. Darüber hinaus ist der Vorgang vergleichsweise schnell, da das komplette Teil auf einmal gedruckt wird. Zusätzlich zur Oberflächenbeschaffenheit erzeugen diese Drucker oft sehr glatte Oberflächentexturen für Endprodukte. 

Tabelle: Kompatible Materialien und Anwendungen

Multi-Jet-Fusion (MJF)

Multi-Jet-gedruckte Teile 

Dabei ähnelt die Multi-Jet-Fusion der SLS, da beide Nylonenergie für die Entwicklung funktionaler Prototypen nutzen. Diese 3D-Drucker legen Tintenstrahlcluster auf Nylonpulver, um durch Verschmelzen eines Heizelements Schicht für Schicht ein Produkt aufzubauen. MJF hilft bei der Herstellung vielfältiger farbiger Endprodukte und verbessert die Auflösung der vorgesehenen Teile. Darüber hinaus erfordert die Herstellung eines Produkts eine minimale Vorlaufzeit und gilt insbesondere als wirtschaftliche Technik in der 3D-Drucktechnologie. 

Tabelle: Kompatible Materialien und Anwendungen

Polyjet

Polyjet bezieht sich auf eine traditionelle 3D-Drucktechnologie, deren Funktionsweise bemerkenswerte Ähnlichkeit mit herkömmlichen Tintenstrahldruckern aufweist. Dabei werden Photopolymere auf eine Bauplatte getropft, indem UV-Licht gesintert wird, um ein Produkt zu bilden. Polyjet-3D-Drucker sind günstiger als SL und SLS. Produktdesigner können Polyjets verwenden, bei denen Prototypen benötigt werden, um die anfänglichen Designpassungen einer Baugruppe zu testen. Darüber hinaus können sie mehrfarbige und aus mehreren Materialien bestehende Teile schmieden. 

Tabelle: Kompatible Materialien und Anwendungen

Metall-3D-Drucktechnologien

Abgesehen von Plastik, 3D Druckmaterialien Dazu gehören auch verschiedene hochfeste Metalle zur Herstellung funktionaler Prototypen und Endprodukte. Gängige Werkstoffe sind Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Wolfram und Titan. Für diese Metalle werden üblicherweise die folgenden 3D-Druckverfahren eingesetzt.

• Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
• Direktes Metalllasersintern (DMLS)

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Elektronenstrahlschmelzen ist ein 3D-Druck aus Metall Verfahren. Wie der Name schon sagt, wird dabei ein hochenergetischer Elektronenstrahl verwendet, um Metallpulver in aufeinanderfolgenden homogenen Schichten zu einem Produkt gemäß den erforderlichen Spezifikationen zu verschmelzen. Dabei wird in einer Druckkammer ein Vakuum von unter 0.0001 mbar erzeugt. Die optimale Temperatur zum Schmelzen des Materials liegt bei etwa 600 bis 700 °C ℃. Im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechnologien ist EBM schnell und kosteneffizient. Darüber hinaus kann es als Ersatz für CNC-Bearbeitungs- und Gusstechniken eingesetzt werden, da es äußerst langlebige Teile produziert. 

Tabelle: Kompatible Materialien und Anwendungen

Direktes Metalllasersintern (DMLS)

DMLS ist eine weitere Metall-3D-Drucktechnik. Im Vergleich zum direkten Metall-Lasersintern 3D-Druck vs. CNC-BearbeitungEs bietet mehr Flexibilität, Wiederholgenauigkeit, Präzision und schnelle Produktionsvorteile. Darüber hinaus ist es eine besonders effiziente Möglichkeit zur Herstellung komplexer, detaillierter Prototypen. Im Allgemeinen werden Metalle reduziert und vielfältige Teilebaugruppen in leichte oder einzelne Komponenten umgewandelt. 

Table: Kompatible Materialien und Anwendungen

Additiv vs. Subtraktive Fertigung

Additiv vs. Subtraktive Fertigung

Bei der additiven Fertigung wird Material in aufeinanderfolgenden Schichten hinzugefügt, um ein Produkt zu schaffen. Im Gegensatz dazu wird bei der subtraktiven Fertigung Material von vorhandenen Teilen entfernt, um sie in die gewünschte Form zu bringen. Diese grundlegenden Ansätze werden aufgrund der Flexibilität und außergewöhnlichen Genauigkeit des Materials in der gesamten Fertigungsindustrie häufig eingesetzt. Darüber hinaus haben sich diese Techniken als wirtschaftliche Optionen für großvolumige Chargen explosionsartig erwiesen. 

Obwohl es viele Fertigungstechniken gibt, sind CNC-Bearbeitung und 3D-Druck aufgrund ihrer vielseitigen Vorteile die beiden am weitesten verbreiteten. Lassen Sie uns die Unterschiede zwischen ihnen bewerten.

Tabelle: Additive vs. subtraktive Fertigung

Bezüglich: Additive vs. subtraktive Fertigung

Anwendungen des 3D-Drucks

Die 3D-Drucktechnologie ist in mehreren Fertigungsbereichen weit verbreitet. Es wird in großem Umfang in der Luftfahrt-, Automobil-, Bau-, Medizin-, Prototypen- und Fertigungsindustrie eingesetzt.

Aviation

In der Luftfahrt- und Verteidigungsindustrie hat die 3D-Drucktechnologie eine präzise Möglichkeit zur Formung wichtiger Flugzeugkomponenten eingeführt. Diese Branchen erfordern komplexe Formen und leichte Teile, um die Funktionalität und Leistung verschiedener Motorkomponenten zu verbessern. Daher profitieren OEM-Konstrukteure und -Zulieferer von der wirtschaftlichen Möglichkeit, Leichtbauteile in kurzer Zeit herzustellen. Einige Beispiele sind Streben, Halterungen, Turbinenschaufeln und Zentralrahmen, Funktionsprototypen und Strukturkomponenten für Verteidigungssysteme. 

Automobil

Der 3D-Druck hat die Automobilindustrie explodiert, indem er schnelle Prototypen und leichte Komponenten, insbesondere für Rennautos, ermöglicht. Die etablierten Branchen wie Mitsubishi und Chemical oder BASF haben die 3D-Drucktechnologie bereits eingeführt. Im Allgemeinen wird die Schmelzabscheidungsmodellierung verwendet, um kundenspezifische 3D-Druck-Prototypen und Endverbrauchsteile zu erstellen. Zu den gängigen Beispielen gehören Armaturenbretter von Automobilen, HVAC-Kanäle, Lüftungsschlitze und Prototypenzubehör für Innensitze. 

Prototyping und Fertigung

3D gedruckte Prototypen

Im Vergleich zu 3D-Druck vs. SpritzgussDie Herstellung von Spritzgussformen dauert in der Regel mehrere Wochen. Daher sind diese Formen im Allgemeinen teurer als der 3D-Druck und kosten bis zu 100 bis 1000 US-Dollar. Wie oben erläutert, besteht der Hauptzweck des 3D-Drucks darin, Prototypen mit komplexen Formen zu erstellen. Weiter, 3D-gedruckte Katzen, ästhetisch Komplexe Modelle für Verbraucher und architektonische Anforderungen können durch 3D-Druck erstellt werden. 

Mit diesen fortschrittlichen Feature-Techniken können Teile in nur wenigen Stunden hergestellt werden, und das alles zu einem erschwinglichen Budget. Darüber hinaus eignet sich der kundenspezifische 3D-Druck ideal für die Erstellung von Prototypen zum Testen und Iterieren früherer Designs. Die profitabelsten Techniken zur Herstellung von Prototypen sind SLS und DMLS. 

Behandeln

3D-gedruckte Knochenstruktur

Im Gesundheitswesen werden 3D-Drucker für die Konstruktion orthopädischer Geräte und Implantate zum Gießen von Zahnkronen aus Metall eingesetzt. Darüber hinaus hilft es bei der Herstellung von Werkzeugen und Gerüststrukturen menschlicher Strukturen. Diese Gerüste bieten Zellen und Geweben einen Rahmen für das Wachstum und die Regeneration von Geweben. Darüber hinaus hilft der individuelle 3D-Druck dabei, personalisierte Prothesen und patientenspezifische Geräte zu reproduzieren. wie zum Beispiel; Hörgeräte und orthopädische Einlagen. Darüber hinaus tragen auch 3D-gedruckte Knochen, Haut, Gewebe und Organe zur Patientenversorgung bei. 

3D-Drucktechnologie für den Bau

3D-Drucktechnologie für den Bau

In der Bauindustrie werden in der Regel „3D-Drucker für den Bau“ zum Kraftbinden und Sprühen von Prospekten eingesetzt. Diese Drucker arbeiten mit gesteuerten Roboterarm-Extrudern und Portalsystemen, um schonend Baumodelle, kleine Strukturen und Gebäudekomponenten zu erstellen. Darüber hinaus ist der 3D-Druck eine wirtschaftliche Lösung zur Erstellung komplexerer Konstruktionsmuster und zur Verbesserung der Funktionsintegration durch Minimierung von Abfall und Personalbedarf. 

3D-Druckdienste bei Boda

Boda bietet erschwinglichen und erstklassigen 3D-Druck Prototyping-Dienstleistungen. Unsere Experten helfen Ihnen bei der sinnvollen Materialauswahl und unterstützen Sie bei Designverbesserungen für optimale Ergebnisse. Unsere Anlage ist mit einem fortschrittlichen 3D-Drucker ausgestattet und bietet unseren geschätzten Kunden eine Reihe von Materialoptionen zur Auswahl. 

Ob es sich um die Herstellung komplexer Prototypen oder um Massenproduktion handelt, wir können Ihre Anforderungen erfüllen, ohne Kompromisse bei den Qualitätsstandards einzugehen, und das in kurzer Zeit. Kontaktieren Sie uns jetzt und erhalten Sie sofort 3d-Druckservice Zitat!

Summieren

Der 3D-Druck bietet mehrere Vorteile bei der schnellen Herstellung von Prototypen für Medizin-, Luftfahrt- und Automobilkomponenten. Diese additive Fertigungstechnik verwendet mehrere 3D-Druckmaterialien, von Kunststoffen, Keramik und Lebensmitteln bis hin zu exotischen Metallen wie; Titan, Wolfram und Kupfer. 

Diese Drucker haben die Möglichkeiten zur Herstellung verschiedener Komponenten und zur Erfüllung von Aftermarket-Anforderungen erweitert, die früher für herkömmliche Techniken wie Gießen, Bearbeiten und Spritzgießen schwierig waren. Darüber hinaus verkürzten sie die Produktionszykluszeiten. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Einblick in die 3D-Drucktechnologie aus einem tieferen Blickwinkel. So erhalten Sie wertvolle Einblicke in die Entstehung der 3D-Drucktechnologie und ihren Nutzen. 

Häufig gestellte Fragen

Q1. Welche Einschränkungen gibt es beim 3D-Druck?

Neben seinen Vorteilen weist der 3D-Druck auch einige Einschränkungen auf. Diese beinhalten; begrenzte Materialoptionen, Nachbearbeitungsanforderungen und erhöhte Kosten bei hohen Stückzahlen. 

Q2. Welche Kunststoffmaterialien sind für den 3D-Druck flexibel?

Thermoplastische Materialien gelten als verträgliche und flexible 3D-Druckmaterialien. Zu den häufigsten gehören: Polyurethan, Polycarbonat und Hochleistungskunststoffe wie PEEK und Polymilchsäuren (PLA). Unter diesen PLA-Filamenten werden die meisten in 3D-Druckanwendungen extrudiert. Lerne mehr über Den 3D-Druck beherrschen: Ein Leitfaden zu den besten PLA-Materialien.

Q3. Gibt es weitere Fortschritte, die über den 3D-Druck hinausgehen?

Ja, die Zukunft hält neue Fortschritte wie den 4D- und 5D-Druck in der additiven Fertigung bereit. Diese Innovationen werden wahrscheinlich dazu beitragen, das Gewicht von Komponenten zu reduzieren und die Leistung von 3D-Druckern zu optimieren, um Produkte in kurzer Zeit herzustellen. 

Q4. Welche Vorteile bietet der 3D-Druck?

3D-Drucker bieten eine vollständige Anpassung bei der Herstellung von Teilen. Diese Drucker befolgen automatisierte Richtlinien, um Produkte fehlerfrei herzustellen. Außerdem eignet es sich hervorragend zum Entwerfen von Prototypen für verschiedene Endprodukte für den industriellen Einsatz. 

F5. Was sind die Hauptprobleme bei der Entwicklung von 3D-Druckprodukten?

Obwohl 3D-Drucker präzise sind und komplexe Formen präzise erzeugen, sind Prozessparameter wie Temperatur, Druckgeschwindigkeit und die Verwicklung der Filamente die Hauptprobleme beim 3D-Druckprozess.  

Ressource

1. Shahabidin, TC Lee, R. Ramlan, (2019): Ein Überblick über die 3D-Drucktechnologie: Technologie, Materialien und Anwendungen, Procedia Manufacturing; Abgerufen von: Science Direct.